WLAN第6章 无线局域网的物理层技术

对非相干检测，接收信号加到两个带通滤波器，这两个 滤波器是窄带滤波器，可以将不需要的信号滤除。滤波 器的输出加到包络检波器，包络检波器的输出送到比较 器进行比较，比较器产生一个二进制的输出信号，其电 平取决于两个输入信号的大小。同步或相干检测用两个 乘法检波器来确定输入信号中存在哪一个频率。
在不增加传输带宽的条件下，为了增加数据传输速率， 必须用低调制指数的FSK。快速频移键控(FFSK)和最小 频移键控(MSK)是现有的两种频带保持技术。 MSK是调频指数为0.5的连续相位FSK，选择这样的调制 指数是因为在一比特周期内相位累积变化π/2，要么增加 π/2，要么减少π/2。因此MSK的波形表现为相位的连续 性，在每一信息比特的末了时刻没有像QPSK信号那样 的相位突跳，用C类放大器进行放大不会产生失真。 FFSK除了在调制器的输入端先对调制信号进行差分编码 外，FFSK与MSK类似。然而，由于是FSK类型的频谱， MSK和FFSK信号的邻道边带分量仍然较高，难以适应 要求高的频谱效率的数字无线系统的要求。
（二）四相相移键控(QPSK)
为了得到更高的比特率，采用四相调制可使每一符号 携带两比特数据，这样的调制称为四相相移键控 (QPSK)。与PSK调制相比较，QPSK在相同的频带内 可传输两倍的数据量。在发射端，传输的信息经串并变换后得到的两路数据分别去调制载波的同相分量 coswct和正交分量sinwct，将两个平衡调制器的输出相 加，就可得到QPSK信号，如图所示。
点为每符号传输的比特数加倍，可在给定的频带内使传 输的数据率加倍。然而，调制电平数的增加由于信号集 中各元素的距离减小，将导致误比特率的增加。由于线 性放大器可以提供较好的带外辐射性能，因而可进一步 增加系统的频谱效率。
Hale Waihona Puke Baidu
因为线性调制技术需要昂贵的线性射频放大器，所以它 不如恒定包络调制受重视。在相移键控调制方式中，最 重要的线性调制方式有DPSK、QPSK、OQPSK和MPSK。 （四）频移键控(FSK) 频移键控(FSK)是一种恒定包络调制方式，其载波频 率根据基带信号在传号频率(相对于二进制1)和空号频率 (相对于二进制0)变化，与用二进制数字信号调制的FM 信号相同。因此，发射信号为：
第6章 无线局域网的物理层技术
吉林大学通信工程学院 姜 宏
jiangh@163.com
内容：
• 概述 • WLAN的射频技术 • WLAN的调制解调技术 • WLAN的扩频传输技术
概述
第一节 WLAN的射频技术
• 物理信道的划分 • 双工技术 • 收发信机结构
1、物理信道的类型
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设发送的信号为a(t) ，将a(t)的偶数位和奇数位构 成两个数据流a1(t)和a2(t)，用这两个数据流去调制 正交的两个载波，相加器的输出为 s(t)=a1(t)coswct+a2(t)sinwct=A(t)cos(wct+θ(t))
QPSK信号接收机如图。
因为要求相干解调，所以接收机必须得到与发端载波同 步的恢复载波coswct和sinwct。接收到的QPSK信号被送 到两个相干解调器，如前所述，每个相干解调器由平衡 调制器和积分器构成，但是这里的积分器的积分时间是 两个比特周期。将两个支路的恢复信号经过并-串变换， 把双比特信号转变成两位串行数据。和以前一样，应得 到信息位同步信号，以便确定积分时间和信息流的恢复。 QPSK的频谱宽，并随中心频率的偏移缓慢地衰减。在 保持码间串扰最小的条件下，脉冲成型可减小传输信号 带宽。但用脉冲成型后就变成了线性调制，并且要用线 性放大器来保证脉冲成型不变形。如果用非线性功率放 大器，脉冲型状将变形，频带也要展宽。用升余型的奈 奎斯特脉冲可以提高频谱的效率。
a(t)=1， Ф(t)=0 a(t)=0, Ф(t)=π.
这样，PSK波形是一 个等幅信号，其相位 在0和π上变化。
在接收机端对PSK信号的解调可通过与发射机调 制相同的过程来完成，为了满足在加性高斯白噪 声(AWGN)信道中系统性能指标的要求，必须采 用相干解调，PSK信号的相干解调器如图所示。
许多数字通信系统已经采用了像TFM和GMSK恒包 络这样的调制方式，因为这些调制方式允许在小区 内用较低价格的C类放大器。当然，用线性调制可 以获得更好的频谱效率。
（五）各种调制方式的频谱特性
（三）多电平PSK系统
在PSK系统中，信息码逐位发送，在QPSK系统中，信 息码每两位合并发送，这两位代表四个相位中的一个相 位。以此类推，如果N个信息位合并，那么这N个信息 位有M(=2N)个符号或M个状态，这样的系统称为MPSK 系统。
PSK、QPSK和MPSK的发射信号的区别在于彼此间的相 位，但是都有相同的振幅。在正交振幅调制(QAM)中， 信号不仅在相位上不同，而且振幅也变化。像脉冲成型 PSK和QAM这样的需要线性功率放大器的线性调制方式， 利用增加电平数的方法，可以达到比1bit/s/Hz高的频谱 效率。如，用四电平调制方式允许用一个符号传输两个 比特的信息，而与二进制调制相比，每比特的信噪比并 没有下降，这是因为采用了正交载波的原因。优
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（2）FHSS WLAN物理信道划分
• 信道中心频率从第一信道开始，以1MHz为间隔进行划分。
（3）OFDM WLAN物理信道划分
• OFDM WLAN多工作于5GHz频段； • U-NII中规定，从5GHz开始，以5MHz为步长，共 •
有201个通道： 通道中心频率=5GHz+5*nch（MHz）， 其中，nch =0~200 IEEE802.11a使用U-NII的5.15~5.25GHz、 5.25~5.35GHz和5.725~5.825GHz，共300MHz的 射频信道。 两个相邻信道中心频率间隔20MHz（4个U-NII信 道带宽） 每个OFDM信道包括52个子载波，占据约16.6MHz 的带宽。
在选择调制方式时必须考虑到一些指标，其中最 重要的是：
1.频谱效率，应增大每兆带宽所容纳的信道数； 2.误码率，能抗噪声及邻道干扰； 3.对无线环境的适应性；
4.实现的难度和成本。
因为无线系统可利用的频域有限，所以频谱利用 率可能是任何新系统所要考虑的重点。 对于室内应用系统，在无线信道上衰落条件的变 化又给调制选择附加了更多的限制。
频分信道 时分信道 码分信道 空分信道
单信道
窄带射频(RF)信道 基带红外线
多信道
频分复用信道 码分多址直接序列扩频 DSSS
（1）DSSS WLAN物理信道划分
• 使用2.4GHz的ISM频段。 • 美国、加拿大、中国、欧洲指定
工作频率从2.4~2.4835GHz；日 本指定为2.471~2.497GHz；法国 指定为2.4465~2.4835GHz；西 班牙指定为2.445~2.475GHz。标 明X的信道都已获得支持。 每个射频信道带宽为22MHz； 相邻频道间隔5MHz； 只有3个互不重叠的物理信道（1, 6, 11）； 最小发送功率电平1mw。
s(t)= Acosw1t， a(t)=1 或Acosw2t， a(t)=0
频率调制方式可用调制指数来描述，调制指数为峰值频 偏与调制信号的最高频率分量的比值。
FSK信号既可以用切换两个不同的振荡器的方式来获得， 也可以用把数据信号送入调频器的方法来获得，如图 5.5所示。
FSK信号的解调可以用非相干检测的方法或同步检测 的方法来完成，如下图所示。
WLAN接收机结构-2
WLAN接收机结构
镜像抑制接收机-Hartley结构
镜像抑制接收机-Weaver结构
WLAN发射机结构
WLAN收发信机结构-1
WLAN收发信机结构-2
WLAN收发信机结构-3
第二节 WLAN的调制解调技术
• 红外线WLAN： 基带调制（脉冲调制，无载波） • 无线电波WLAN：频带调制（有载波） • • •
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2、双工技术
• FDD • TDD
在WLAN中，IEEE802.11x系列标准，HiperLan2 标准，蓝牙系统和HomeRF系统采用的都是TDD。
3、收发信机结构
• WLAN接收机结构
超外差接收机 直接变频接收机 镜像抑制接收机 • WLAN发射机结构 • WLAN收发信机结构
WLAN接收机结构-1
为了进行相干解调，在接收机中必须提取具有正 确相位的载波，可以先对接收信号平方，可得
s2(t)=1/2(1+cos2wct) 从上式可以看出对s(t)平方后有直流分量和载波的 二次谐波分量，用窄带滤波器滤出二次谐波，经 过二分频后，就可得到恢复载波coswct。 恢复载波随后与接收信号s(t)相乘，得 s(t)=1/2[cosФ(t)+ cos[2wct+Ф(t))]] 经低通滤波器滤除高频信号，得到的低频信号 cosФ(t)，由于Ф(t)=0或π ，经积分后，在信息位同 步信号的作用下恢复出发送的信息。位同步信号 由位定时电路获得。
MSK系统的频谱效率可以在调制载波前对二进制数据的 前置滤波来改善。高斯型前置滤波器具有这样的振幅特 性，这样的滤波器可以得到高斯滤波MSK (GMSK)信号。 比特成型滤波器的带宽通常用带宽-时间积 (BT)来定义。 如果BT>1，波形基本上是MSK波形。然而如果BT<1， 将引起码间串扰，在解调器中将以增加复杂度为代价， 来提高抗噪声的能力。0.5和0.3的BT值已分别被泛欧蜂 窝移动无线系统(通常称为GSM系统)和欧洲数字无绳电 话(DECT)系统选用。 高斯滤波器的另一种应用是对数据流的相关编码，使其 有小的相位变化，平滑调频 (TFM)和广义TFM(GTFM) 就属此列。TFM依据不同的码字情况得到不同的相位的 变化，如果三个相邻比特有相同的极性，相位变化π/2， 如果三比特的极性交替
各种调制方式
• 基带调制：采用脉冲调制，如：PAM（脉幅调 •
制）、PPM （脉位调制） 、PWM （脉宽调制） 频带调制： 采用基本的数字调制，如：ASK（幅移键控）、 PSK （相移键控） 、FSK （频移键控）； 采用多符号调制，如：QPSK（四相相移键控）， MPSK （多相相移键控），QAM（正交幅度调制） 采用多载波调制，如：OFDM（正交频分复用） 等。
一、 基本数字调制解调技术
数字调制可分为两大类：恒定包络调制技术和线性 调制技术。 恒定包络调制系统使发射机的功率放大器工作在非线 性的C类状态，来提高功率放大器的效率，降低成本。 但是，这些好处是以牺牲频谱利用率为代价换来的， 如果不考虑调制电平数，恒定包络调制系统的频谱利 用率被限制在约1bit/s/Hz内。
对于IEEE802.11系统: IEEE802.11b: 采用DBPSK、DQPSK、CCK(补码键 控)、PBCC(分组二进制卷积码)等调制方式, DSSS扩 频传输方式 IEEE802.11a: 采用BPSK、QPSK、16QAM调制, OFDM传输方式 IEEE802.11g: 采用OFDM传输方式，可选PBCC-22调 制.
线性调制具有变化的包络，它要求一个线性的发射机 功率放大器，因而导致成本与复杂度的增加，但是这 种调制可大大提高频谱利用率，这可弥补成本的增加。
（一）相移键控
最简单最常用的数字调制技术是相移键控(PSK)， PSK信号的产生用平衡调制器来完成。在发射机 端将数字信号a(t)和载波coswct送到平衡调制器的 输入端，在平衡调制器的输出端就可得到一个 PSK信号。如果二进制信号a(t)的编码形式为： a(t)=1表示“1”或传号， a(t)=0表示“0”或空号， 那么PSK信号即可表示为s(t)=cos(wct+Ф(t)),其中:
变化，相位不变；其它情况下相位变化π/4。这是以减 少相位的变化来改善频谱性能。产生这样的波形的调 制电路相似，用一个或两个平衡调制器，如图5.7所示。 这是一种正交型调制，对实际波性而言，其逼近相位 样值储存在两块EPROM中。
图5.7 正交调制电路
这些信号的解调与调制过程正好相反。在相干解调 电路中必须包括载波同步技术。在非相干解调中用 牺牲一些其它性能来避免载波同步。